mini|Schaltzeichen Universalmotor Der Einphasen-Reihenschlussmotor ist ein Elektromotor, der unverändert sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Er unterscheidet sich vom Gleichstromreihenschlussmotor nur in einigen Details. Der Einphasen-Reihenschlussmotor gehört zur Gruppe der Wechselstrom-Kommutatormotoren, er wird deshalb auch Einphasen-Kommutatormotor genannt. Kleinere Einphasen-Reihenschlussmotoren werden auch als Universalmotoren oder Allstrommotoren bezeichnet. Der Einphasen-Reihenschlussmotor wurde ca. 1904 von Hans Behn-Eschenburg bei der Maschinenfabrik Oerlikon entwickelt.
Grundlagen mini|Ständer- und Läuferblechschnitt eines Universalmotors
Der Einphasen-Reihenschlussmotor unterscheidet sich in seiner Bauform vom Gleichstromreihenschlussmotor nur durch das gedrungene Ständerpaket, das mit den Polschuhen eine Einheit bildet. Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste, die durch das Wechselfeld entstehen, muss der gesamte Magnetkreis geblecht ausgeführt sein (Dynamoblech). Die prinzipielle Wirkungsweise des Einphasen-Reihenschlussmotors ist identisch zur Gleichstrommaschine. Wegen der Serienschaltung der Anker- und Erregerwicklung sind der Erregerstrom (Erregerfeld) und der Ankerstrom gleichphasig. Der Erreger- und Ankerstrom ändern gleichzeitig das Vorzeichen, Kraft- und Drehrichtung bleiben gleich.
Einphasen-Reihenschlussmotoren sind zwar für Wechselstrom ausgelegt, können aber auch mit Gleichstrom betrieben werden. Umgekehrt lässt sich ein Gleichstrommotor jedoch nicht mit Wechselstrom betreiben. Es können störende Wirbelströme im Ständer, Selbstinduktionsspannungen durch Streufelder von Anker und Erregerwicklung auftreten. Aufgrund des induktiven Blindwiderstandes ist die Leistung an Wechselstrom um 15 % kleiner als an Gleichstrom. Kleine Einphasen-Reihenschlussmotoren werden heute als Universalmotoren bis zu einer Nennleistung von 3 Kilowatt und einer Nenndrehzahl von 3.000 bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute ausgeführt. Aufgrund der hohen Drehzahl können diese Universalmotoren kleiner gebaut werden. Da die Stromdichte in kleinen Motoren sehr groß ist, entstehen in ihnen hohe Verlustleistungen, welche diese Motoren erwärmen. Dieses Wärmeproblem wird durch die hohe Drehzahl in Verbindung mit zusätzlichen Kühlmaßnahmen wie z. B. Lüfterrädern auf den Achsen (siehe Handbohrmaschinen, Handmixer usw.) gelöst.
Aufbau mini|Universalmotor für ca. 500 Watt mini|Anker eines Universalmotors
Das Ständergehäuse umfasst den gesamten Motoraufbau und ist bei kleineren Motoren ein Gussteil, bei größeren Motoren eine Schweißkonstruktion. Kleinere Motoren können am Ständergehäuse Kühlrippen haben, größere Motoren dagegen Hohlräume zur Kühlluftführung. Der Motor besteht aus einem Stator mit ausgeprägten Polen wie beim Gleichstrommotor, der aber als Blechpaket ausgeführt ist. Allerdings haben Motoren für große Leistungen keine ausgeprägten Pole mehr, bei ihnen besteht der Stator aus gestanzten Dynamoblechprofilen. Die magnetisch aktiven Teile von Ständer und Anker sind aus „Paketen“ von einseitig gegen Wirbelströme isolierten Dynamoblechen zusammengesetzt. Diese werden als gesamter Ring oder als einzelne Segmente ausgestanzt. Das Blechpaket wird in den Ständer eingepresst oder eingeschrumpft. Sowohl Ständer- als auch Ankerblechpaket sind meist so geformt, dass sie statt nur einem eine Vielzahl von Polpaaren ausprägen.
Die elektrisch aktiven Teile bestehen im Wesentlichen aus der Ständer- bzw. Erregerwicklung (Erregerspule) und der Ankerwicklung. Die Erregerwicklungen und die Ankerwicklung sind hintereinander, bzw. „in Reihe“ geschaltet. Wenn – wie meistens – die Erregerwicklung symmetrisch zum Anker aufgeteilt ist, wirken die Teilspulen der Erregerwicklung wie Drosselspulen und tragen zur Funkentstörung bei. Die Reihenschlusswicklung hat im Vergleich zum Nebenschlussmotor wenige Windungen, allerdings mit größerem Querschnitt. Die Wicklungen aus Kupferlackdraht werden in Nuten des Ständer- und des Ankerblechpakets gewickelt oder als vorgefertigte Wicklungen eingelegt („gestopft“). In die Nuten wird zuvor Isolierstoff eingelegt. Zur besseren elektrischen Isolation der Drähte gegeneinander und zur Stabilisierung können die Wicklungen mit Lack oder Harz getränkt sein.
Der rotierende Anker (Rotor) unterscheidet sich nicht von dem des Gleichstrommotors. Er besteht aus dem auf der Achswelle aufgebrachten Ankerblechpaket und der Ankerspulenwicklung. Die Ankerwelle ist im Ständergehäuse gelagert und überträgt das Drehmoment nach außen. Auf einer Seite des Ankerblechpakets ist der Kommutator bzw. Kollektor angebracht, durch den die Ströme der Ankerspulenwicklung über die im Ständer angebrachten Kohlebürsten zur Ständerwicklung oder zu den Anschlüssen geleitet werden. Der Bürstenhalter dient dazu, die Kohlebürsten in der erforderlichen Lage zu halten.
Entsprechend dem Anwendungszweck sind am Ständergehäuse Befestigungsvorrichtungen vorhanden. Fahrmotoren für elektrische Bahnen haben spezielle Vorrichtungen zur federnden Aufhängung zwischen der Trägerkonstruktion (Drehgestell oder Lokomotivkasten) und dem Zahnradgetriebe auf der Radsatzachse.
Wirkungsweise mini|Prinzipielle Darstellung zur Wirkungsweise mini|Schaltbild eines Universalmotors
Prinzip Die stromdurchflossene Erregerwicklung im Ständer erzeugt ein Magnetfeld, das durch das Eisenblechpaket verstärkt und zu definierten Polen gebündelt wird. Das Gleiche geschieht in der nachgeschalteten Ankerspulenwicklung. Dieses vom Stator aufgebaute Magnetfeld bewirkt, je nachdem wie die Pole eingestellt sind, dass es den Rotor hinter sich herzieht oder vor sich herschiebt. Dabei müssen die Spulen bei jeder halben Umdrehung (bei Maschinen mit einem Polpaar) umgepolt werden, wozu ein Kommutator notwendig ist.
Betrachtet man eine nur „einpolige“ Ausführung, so stehen beide Magnetfelder quer zueinander. Gemäß den physikalischen Gesetzen entstehen Kräfte, die die beiden Magnetfelder zu einem unipolaren gemeinsamen Feld zu vereinigen suchen. Durch diese Kraftwirkung wird der Anker gedreht. Da jedoch bei jeder Ankerdrehung am Kommutator ein elektrischer Polwechsel erfolgt, stellt sich der Ursprungszustand des Magnetfelds jedes Mal von neuem ein, so dass sich der Anker fortwährend dreht, solange der Strom durch Anker- und Erregerwicklung fließt.
Die durch den Wechselstrom bewirkte fortwährend wiederholte Umpolung hat keinen Einfluss auf das Laufverhalten, da stets beide Wicklungen gleichzeitig „umgepolt“ werden. Bei Betrieb mit sinusförmigem Wechselstrom folgt das Drehmoment einer Sinuskurve mit doppelter Netzfrequenz. Die Minima dieser Sinuskurve liegen leicht im Negativen. Bei Betrieb mit Gleichstrom erzeugt der Kommutatormotor ein zeitlich konstantes Drehmoment.
Stromwendung mini|Kommutator eines großen Elektromotors mini|Kompletter Rotor einer Wechselstrom-Reihenschlusslokomotive
Zur Stromwendung werden bei Motorbetrieb die Bürsten gegen die Drehrichtung verschoben, der Hauptpolfluss induziert in der kommutierenden Spule eine Bewegungsspannung, die die Kommutierung unterstützt. Bei Generatorbetrieb müssen die Bürsten in Drehrichtung verschoben werden, dabei hängt die Bürstenverschiebung vom Betriebszustand ab. Eine vollständige Kompensation ist nur in einem bestimmten Betriebspunkt möglich (Nennpunkt). Eine Bürstenverschiebung zur Verbesserung der Stromwendung führt aber zu einer Feldschwächung der Erregerpole ( hat Komponente entgegen ); Stabilität der Maschine beachten.
Da sich der Kommutator nicht anpasst (also stets senkrecht zu den Hauptfeldlinien umschaltet und nicht senkrecht zu den „effektiven“ Feldlinien), kann das Bürstenfeuer verringert werden, indem der Bürstenträger leicht verdreht montiert wird und dann im Betriebszustand doch senkrecht zu den effektiven Feldlinien umschaltet. Dies erfordert jedoch eine Justierung im Betrieb und wird heute aus Kostengründen kaum noch durchgeführt. Stattdessen werden in großen Maschinen Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen eingesetzt, die die Feldlinien gleichsam in die ideale Lage „zurückbiegen“. Wendepole werden nur bei größeren Einphasen-Reihenschlussmotoren wie dem Bahnmotor verwendet. Kleine Einphasen-Reihenschlussmotoren haben keine Wendepole und keine Kompensationswicklung.
Probleme Die sinusförmige Umpolung des Statorfeldes induziert im Rotor eine Spannung, die an den Bürsten abfällt. Diese transformatorische Spannung kann durch Bürstenverschiebung nicht kompensiert werden. Daher gibt es, im Unterschied zur Gleichstrommaschine, eine induzierte Wechselspannung an den Kohlebürsten, die zu einem ständigen Bürstenfeuer und einem hohen Verschleiß der Bürsten führt (Abhilfe schaffen jedoch Wendepolwicklungen und Kompensationswicklungen). Neben dem damit verbundenen Zwang zur Funkentstörung dieses Motors durch Kondensatoren wird dadurch auch die Lebensdauer des Motors im Vergleich mit Drehfeldmaschinen stark reduziert.
Betriebsverhalten mini|Belastungskennlinie eines Universalmotors
Beim Einphasen-Reihenschlussmotor sinkt der Erregerstrom mit ab, das führt zu einer Drehzahlsteigerung bei sinkendem Drehmoment. Dieses Verhalten eines Motors wird als Reihenschlussverhalten bezeichnet. Er hat keine feste Grenzdrehzahl, wodurch größere Einheiten unbelastet bis zum Bersten des Ankers hochlaufen. Aus diesem Grund wird zur Absicherung bei einigen Motoren ein Fliehkraftschalter auf die Motorwelle montiert. Dieser Schalter schaltet bei kritischen Motordrehzahlen einen ohmschen Widerstand zu oder schaltet den Motor ganz ab.
Im Stillstand beim Einschalten fließt der höchste Strom durch Anker- und Ständerwicklung. Der Reihenschlussmotor hat von allen Elektromotoren das größte Anlauf-Drehmoment. Im Leerlauf bzw. ohne oder mit geringer Belastung betriebene Reihenschlussmotoren gehen mit ständig zunehmender Drehzahl durch. Bei Belastung nimmt die Drehzahl ab, während das Drehmoment durch die verringerte Drehzahl wieder ansteigt, es pendelt sich dabei ein stabiler Zustand ein. Die Drehzahl ist sehr lastabhängig.
Mathematische Betrachtung Ersatzschaltbild mini|Ersatzschaltbild eines Einphasenreihenschlussmotors mini|Erregungsflussverkettung eines Universalmotors Da die Maschine mit Wechselstrom betrieben wird, sind außer den ohmschen Widerständen der Wicklungen auch alle induktiven Widerstände zu berücksichtigen. Die Blindwiderstände werden zu einer Reaktanz zusammengefasst:
… gesamte Reaktanz … Reaktanz der Erregerwicklung … Reaktanz der Ankerwicklung … Reaktanz der Wendepolwicklung (falls vorhanden) … Reaktanz der Kompensationswicklung (falls vorhanden)
ist von der Sättigung des magnetischen Kreises abhängig (vor allem , Hauptfeld, Streufeld). sinkt daher mit zunehmender Belastung. wird für die weitere Ableitung konstant angenommen.
Da die Achse der Ankerwicklung senkrecht zu der Erregerwicklung steht, wird in der Ankerwicklung keine transformatorische Spannung induziert, das heißt, nur die Bewegungsspannung ist gleichphasig mit dem Feld und Strom.
Drehmoment Das Drehmoment wird analog dem der Gleichstrommaschine berechnet. Es sind bei Wechselstrombetrieb für Strom und Spannung die Effektivwerte einzusetzen.
mit – inneres Drehmoment – Effektivwert des Stroms – Erregerfeldstärke (proportional zum Strom I) – Anker-Motorkonstante
Das Erregerfeld wird durch den Strom hervorgerufen, der den Anker und die Erregerwicklung durchfließt. Daher ist das Drehmoment proportional zum Quadrat des Betriebsstromes.
Bei Belastung der Maschine gilt:
… Belastungsmoment … Verlustmoment
Aufgrund des Trägheitsmoments der Maschine und der Last stellt sich eine mittlere Drehzahl ein. Infolge des pulsierenden Drehmomentes ist dieser mittleren Drehzahl aber eine pendelnde Drehzahl überlagert.
Drehmomentengleichung aus der inneren Leistung abgeleitet
Das Moment pulsiert mit doppelter Netzfrequenz.
In kommutierender Spule induzierte Spannungen Transformatorische Spannung